Tıbbi giyilebilir ekipmanın güç kaynağı sorunu
Giyilebilir teknoloji, bir sonraki dijital sağlık devriminin temeli olacak.Akıllı ve otomatik gerçek zamanlı kontrol / izleme, uzun süreli kronik hastalıkları olan hastalar için yüksek kaliteli bakım ve daha iyi yaşam kalitesi sağlayarak tıp alanındaki en önemli uygulama haline gelecek. . Ancak giyilebilir cihazların güç kaynağının aşılamaz bir engel olabileceği belirtilmelidir.
Her yeni nesil spor bilekliği ve akıllı saatler, daha fazla işlevi entegre eder ve bu giyilebilir cihazlardaki daha fazla işlev genellikle daha yüksek güç tüketimiyle sonuçlanır. Tabii ki, aynı kurallar tıbbi cihazlar için de geçerlidir. Bununla birlikte, aktivite takibi ve hasta izleme gibi alanlarda kullanılan giyilebilir cihazlar, katı alan kısıtlamalarına sahiptir ve daha büyük pilleri kullanamazlar, bu nedenle, sistemin güç bütçe seviyesini kontrol etmek için daha yenilikçi güç yönetimi teknolojileri gerekmektedir.
Giyilebilir cihazların çalışması için, hastaların bunları uzun süre rahat bir şekilde takabilmesi gerekir (çünkü çoğu durumda, gerekli verileri toplayabilmek için kesintisiz olarak takılmaları gerekebilir). Giyilebilir cihazlar çok ağır olmamalı ve özellikle yaşlı hastalar veya bebekler düşünüldüğünde hasta yorgunluğuna neden olmalıdır.
Tasarım Noktaları
Giyilebilir herhangi bir tıbbi cihazın çeşitli önemli elektronik bileşenleri entegre etmesi gerekir. Bunlar şunları içerir:
Veri yönetimi ve veri işleme için bir mikro denetleyici birimi (MCU).
· Çalışma için gerekli enerjiyi depolamak için kullanılan bir tür pil.
· İvmeölçerler, jiroskoplar, kalp atış hızı monitörleri gibi sensörler.
· Bluetooth Low Energy (BLE) veya Near Field Communication (NFC) gibi teknolojileri destekleyebilen bir iletişim arayüzü.
· Veri korumasından sorumlu şifreleme mekanizması (özel tıbbi bilgilerin korunduğundan emin olun).
Ne tür bir MCU ve sensör kullanılacağı, cihazın özelliklerini ve işlevlerini belirleyebilir ve dolayısıyla beklenen uygulamayı belirleyebilir. Klinik tıbbi ekipman, son derece doğru ve güvenilir olmalı, yönetimi kolay ve verimli veri koruma işlevlerine sahip olmalıdır ve verileri kaydetme süresi bir yıl veya daha fazla uzatılabilir. Bu tür projeleri tasarlamak için sistem düzeyinde güç yönetimi mühendisliği yöntemi, aralarında bazı güç alanlarının sırasıyla farklı güç gereksinimlerine göre paylaşıldığı birkaç işlevsel modül içerir. Bu şekilde, güç verimliliğini en üst düzeye çıkarmak için her etki alanı için en iyi düzen elde edilebilir (Şekil 1'de gösterildiği gibi). RF bileşenleri ve zamana duyarlı olmayan yüksek görev döngüsü işlevleri gibi belirli alanlar kullanılmadıklarında tamamen devre dışı bırakılabilir. Sistemin merkezindeki MCU, ultra düşük güç yönetimini yüksek düzeyde entegre çevre birimleriyle entegre etmelidir.
Şekil 1: Çeşitli güç alanlarına sahip giyilebilir cihazların tipik dahili devre konfigürasyonu.
Pil teknolojisi
Giyilebilir cihazlarda en sık kullanılan pil kimyaları lityum iyon (Li-Ion) ve lityum iyon polimerdir (LiPo). Lityum iyon piller, 3,2V ila 4V (birincil ve ikincil) nominal gerilime sahip organik elektrolitlerden oluşur. Bu iki kimyasal, aralarında lityum iyon pillerin daha yüksek olduğu enerji depolama kapasitesi açısından aynı değildir.
Lityum iyon piller çevre üzerinde nispeten küçük bir etkiye sahiptir ve orta büyüklükte ve hafif bir yapıya sahiptir. Bununla birlikte, bu pilin kapasitesi doğrudan boyutuyla ilişkilidir, bu nedenle alan kısıtlı bir tasarımda enerji depolamada önemli bir azalmaya neden olacaktır. Grafen gibi pil malzemesi teknolojileri ilerleme kaydediyor. Bu yeni teknolojiler, enerji depolama düzeyinin mevcut lityum iyon pillerden çok daha üstün olmasını ve gelecekteki uygulamaların bunlardan yararlanmasını sağlayabilir. Devam eden birçok araştırma projesi bu hedefe yöneliktir. Nanoteknoloji ile ilgili araştırma ilerlemeleri, süper kapasitörlerin giyilebilir cihazlar için elektrik enerjisini depolamanın bir yolu olarak kullanılmasını sağlayacaktır.
Ultra düşük güçlü MCU
Tıbbi giyilebilir cihaz uygulamalarında, MCU bekleme modunda yaklaşık nA akımı tüketebilmeli ve tam çalışma sırasında birkaç yüz A akıma ulaşabilmelidir. MCU yalnızca sensörlerden gelen verileri işlememeli, aynı zamanda güç kaynağını yönetmeli ve yalnızca sistemin belirli bir parçası ihtiyaç duyduğunda akım sağlamalıdır, böylece güç boşa harcanmaz.
Maxim Integrated'in MAX32660 MCU'su (ayrıntılar için Şekil 2'ye bakın) giyilebilir cihaz uygulamaları için tasarlanmıştır ve yüksek performans ile yüksek enerji verimliliğinin mükemmel bir kombinasyonunu sağlayabilir. 32-bit ARM Cortex-M4 çekirdeğine ve yerleşik bir FPU işlemcisine sahiptir, gelişmiş algoritmaları çalıştırmak için yeterli belleğe erişebilir ve ona bağlı her tür sensörü yönetebilir. MCU ayrıca endüstri lideri güç performansı göstergelerine (50W / MHz'ye kadar) sahiptir ve yalnızca 1,6 mm x 1,6 mm boyutunda kompakt bir WLP içinde paketlenmiştir.
Şekil 2: MAX32660'ın işlevsel blok şeması.
Microchip, ARM Cortex-M0 + mimarisine dayanan en küçük SAM D MCU, ultra düşük güçlü SAM L serisi ve yüksek performanslı PIC32MX dahil olmak üzere giyilebilir medikal pazarın ihtiyaçlarını karşılamak için çok çeşitli ultra düşük güçlü 32-bit MCU'lar sağlayabilir. XLP serisi. Bu MCU'lar çalışma modunda döngü başına 35A / MHz'den daha az tüketir ve uyku modunda yalnızca 200nA akım tüketir. Hepsi LCD bağlantı noktası, operasyonel amplifikatör, gerçek zamanlı saat ve mTouch algılama ve USB ve DMA arayüzleri dahil olmak üzere zengin işlevlerle entegre edilmiştir. Ayrıca, CPU kesintisi olmadan neredeyse hiç gecikme olmadan veri paylaşımına ulaşmak için düşük güçlü çevre birimlerine bağlanırlar (bkz. Şekil 3).
Şekil 3: Microchip PIC32MX'in fonksiyonel blok diyagramı.
Giyilebilir alanda kullanılan diğer 32-bit MCU çözümleri arasında ARM Cortex-M3 tabanlı Silicon Labs EFM32 Giant Gecko bulunur. Giant Gecko MCU'lar, gelişmiş güvenlik için AES şifreleme, UART, düşük güçlü sensör arayüzü ve operasyonel amplifikatörler dahil olmak üzere otonom düşük güçlü çevre birimleri sağlayabilir (daha fazla ayrıntı için bkz. Şekil 4).
Şekil 4: EFM32 fonksiyonel blok şeması.
Enerji toplanması
Daha önce tartıştığımız gibi, giyilebilir cihazların tıbbi profesyonel pazarında yaygın olarak kullanılmamasının ana nedenlerinden biri, pilin düzenli olarak yeniden şarj edilmesinin gerekmesi, hastaların unutabileceği veya bakıcıların bu görevleri üstlenmesinin gerekmesidir. Pilin içindeki kimyayı iyileştirerek, bir alternatif enerji hasadı teknolojisini kullanmaktır. Bu tür bir pil, tıbbi ekipmanı şarj etmek için harici enerji kaynaklarından (güneş ışığı, termal eğimler veya hareket gibi) enerji toplayabilir, böylece pil şarjı olmadan süresiz olarak çalışabilir.
İnsan hareketi veya ısı yoluyla enerji elde etmek, kullanıcı tarafından yayılan enerjiye bağlıdır. Ortalama bir insan için bu sayı yaklaşık 107 joule / gün olup, bu da 2500mA / h elektrik enerjisi depolayan 20kg'lık bir bataryaya denktir Teorik olarak, etkin bir şekilde kullanılırsa yeterli enerji rezervi sağlayabilecektir.
Termoelektrik teknolojisi, ısıyı elektrik enerjisine dönüştürmek için Seebeck etkisini kullanır, yani orantılı bir potansiyel farkı oluşturmak için sıcak taraf ile soğuk taraf arasındaki sıcaklık gradyanına güvenir. Peltier birimini oluşturan bir çift yarı iletken, sistem tasarımını sağlayacaktır. Gerekli bileşenler. Giyilebilir cihazlar için, sürekli ısı yayan insan vücudu sıcak taraf olarak, çevreleyen ortam ise termoelektrik teknolojinin elektrik toplamak için ihtiyaç duyduğu soğuk taraf olarak kullanılabilir. Fotovoltaik hücrelerden toplanan güneş enerjisinin aksine (sadece gündüzleri yapılabilir), bu kurulumun temel avantajlarından biri gece ve gündüz sürdürülebilir enerjiye sahip olmasıdır.
Bir başka enerji hasadı biçimi, hastanın uzuvlarının titreşimi ve hareketiyle üretilen mekanik enerjinin kullanılmasıdır. Bu durumda, piezoelektrik eleman her mekanik hareketten sonra akım üretir. Giyilebilir cihazlarda enerji hasadı için, piezoelektrik elemanlar genellikle kullanıcı yürürken, nefes alırken veya kolları ve bacakları hareket ettirirken üretilen titreşimler yoluyla elektrik akımı üretmek üzere tasarlanmıştır. Wurth Electronics'in Energy Harvesting Solution to Go geliştirme kiti, enerji hasadı teknolojisini kolayca elde edebilir ve geliştiricilerin giyilebilir cihazlar için güç yönetimi devreleri oluşturmasına yardımcı olabilir.
DC / DC çevirici
DC / DC dönüştürücünün görevi, tüm çevresel aygıtlar için sabit bir voltaj sağlamak ve bunu sürdürmektir. MCU'nun talimatlarıyla, lityum iyon pilde depolanan tüm enerjiyi yönetebilir.Bu bileşenlerin, mümkün olduğunca az enerji tüketirken katı indeks gereksinimlerini karşılaması gerekir. Doğrusal Teknolojinin LTC3107'si (Şekil 5'te gösterilmektedir), bir enerji toplama mekanizması aracılığıyla gücü kısıtlı bir sistemde ana pilin ömrünü uzatmak için tasarlanmış, son derece entegre bir DC / DC dönüştürücüdür. Küçük bir miktar ısı enerjisi kullanarak, pil ömrünü önemli ölçüde uzatabilir, böylece pil değişimiyle ilişkili sık bakım maliyetlerini azaltabilir.
Şekil 5: LTC3107 DC / DC dönüştürücünün tipik uygulama devresi.
Giyilebilir tıbbi cihazların gelişme eğilimi, daha gelişmiş güç yönetimi sistemleri gerektiren daha küçük ve daha entegre paketlerle minyatürleştirilmeye devam etmek ve çoğu durumda, bir tür enerji hasadı teknolojisi de gereklidir. Doğru dijital devreyi, pili ve buna karşılık gelen DC / DC dönüştürücü çözümünü seçmek, gerekli ultra düşük güç tasarımını tamamlamak için temel oluşturur.
